Технологии лазерной сварки постоянно развиваются всей цепочкой поставок фотоники, от производителей оптических источников и компонентов до компаний, которые создают машины и производственные системы. Среди многочисленных применений выделяются автомобильная промышленность и, в частности, электромобили. Программы Европейской комиссии поддерживают эту тенденцию, уделяя особое внимание оцифровке процессов лазерной сварки, поскольку они являются оптимальными кандидатами для доступа к Индустрии 4.0. В текущем году, безусловно, преобладают последствия пандемии, и он, вероятно, ухудшит или, по крайней мере, подтвердит общий спад в секторе. Однако интересно отметить, что в 2019 году, если рассматривать обработку материалов в целом, сегмент лазерных технологий был одним из самых высоких оборотов, более трети от общего объема. При детальном анализе подсектора обработки материалов с помощью мощных лазеров наибольший вклад вносит резка, но и применение сварки демонстрирует все более быстрый рост. Одной из причин ускорения сварки по сравнению с резкой является производство аккумуляторов и других электрических компонентов для автомобильной промышленности.
Автомобильная промышленность: задачи и потребности
Одной из основных проблем при соединении материалов является комбинирование различных материалов, задача, которую автомобильная промышленность пытается решить уже более 100 лет во всех ее аспектах. Сегодня в этом секторе идет борьба за объединение стали и алюминия, и мы уже рассматриваем новые материалы, такие как пластмассы и полимеры, армированные углеродными волокнами. Кроме того, знание и соблюдение последних директив по выбросам CO2 и правил техники безопасности явно определяют направление этих исследований. Если мы рассмотрим общий расход автомобиля, проанализировав различные вклады, то получим, что 23%, почти четверть всего, приходится на вес самого автомобиля или на вес шасси, кузова и механики. Все это означает, что этому рынку нужны более легкие, но и более безопасные автомобили. соблюдать вышеупомянутые правила, сохраняя при этом конкурентоспособные затраты. Технологии лазерной сварки, безусловно, могут предложить чрезвычайно эффективные и интересные решения. Подход соединительного отдела испанской компании Gestamp, специализирующейся на BiW, литье и сборке автомобилей, имеет несколько направлений. Во-первых, дистанционная лазерная сварка стали и алюминия широко используется в их научно-исследовательских центрах на базе систем от TRUMPF и аппаратов от IPG, Blackbird, Precitec, Coherent и Lessmüller. Параллельно с этим для соединения стали и алюминия тактильная лазерная сварка, то есть с отслеживанием стыка, является ценным подходом для многочисленных производственных предприятий, построенных Gestamp, а также для новых разработок внутри самой компании. Одной из самых инновационных технологий, разработанных ими, является лазерное размягчение BiW BKT, или Ges/Softbend, которое позволяет контролируемо создавать области с большей или меньшей закалкой посредством лазерного нагрева с использованием прямого диодного источника. Детали, обработанные этим процессом, имеют различные механические характеристики, такие как меньшая чувствительность к напряжениям, вызванным сваркой, или более контролируемая деформируемость в случае столкновения транспортного средства. Новые решения могут быть получены на основе краш-тестов, начиная с растворов с постоянной твердостью и создавая более или менее пластичные области, которые могут предложить новые характеристики и свойства на изгиб/деформацию. Кроме того, можно соединять разнородные стали, а также алюминий. что позволяет контролируемое создание областей с большей или меньшей закалкой посредством лазерного нагрева с использованием прямого диодного источника. Детали, обработанные этим процессом, имеют различные механические характеристики, такие как меньшая чувствительность к напряжениям, вызванным сваркой, или более контролируемая деформируемость в случае столкновения транспортного средства. Новые решения могут быть получены на основе краш-тестов, начиная с растворов с постоянной твердостью и создавая более или менее пластичные области, которые могут предложить новые характеристики и свойства на изгиб/деформацию. Кроме того, можно соединять разнородные стали, а также алюминий. что позволяет контролируемое создание областей с большей или меньшей закалкой посредством лазерного нагрева с использованием прямого диодного источника. Детали, обработанные этим процессом, имеют различные механические характеристики, такие как меньшая чувствительность к напряжениям, вызванным сваркой, или более контролируемая деформируемость в случае столкновения транспортного средства. Новые решения могут быть получены на основе краш-тестов, начиная с растворов с постоянной твердостью и создавая более или менее пластичные области, которые могут предложить новые характеристики и свойства на изгиб/деформацию. Кроме того, можно соединять разнородные стали, а также алюминий. Детали, обработанные этим процессом, имеют различные механические характеристики, такие как меньшая чувствительность к напряжениям, вызванным сваркой, или более контролируемая деформируемость в случае столкновения транспортного средства. Новые решения могут быть получены на основе краш-тестов, начиная с растворов с постоянной твердостью и создавая более или менее пластичные области, которые могут предложить новые характеристики и свойства на изгиб/деформацию. Кроме того, можно соединять разнородные стали, а также алюминий. Детали, обработанные этим процессом, имеют различные механические характеристики, такие как меньшая чувствительность к напряжениям, вызванным сваркой, или более контролируемая деформируемость в случае столкновения транспортного средства. Новые решения могут быть получены на основе краш-тестов, начиная с растворов с постоянной твердостью и создавая более или менее пластичные области, которые могут предложить новые характеристики и свойства на изгиб/деформацию. Кроме того, можно соединять разнородные стали, а также алюминий. которые могут предложить новые характеристики и свойства изгиба / деформации. Кроме того, можно соединять разнородные стали, а также алюминий. которые могут предложить новые характеристики и свойства изгиба / деформации. Кроме того, можно соединять разнородные стали, а также алюминий.
Поэтому компания Gestamp активизировала многочисленные совместные проекты, направленные на изучение и разработку новых методов соединения разнородных материалов. В частности, основными проблемами являются механическое соединение алюминия и закаленной стали, термическое соединение новых углеродных материалов со сталью и роль клеев во всех этих процессах. В случае соединения волокно-волокно их система BKT может быть жизнеспособным решением в сочетании с правильным клеем, в то время как в случае соединения сталь-волокно существует несколько потенциальных решений для изучения.
Вся эта деятельность научно-исследовательских центров Gestamp осуществляется параллельно с исследованиями других лазерных технологий, таких как абляция и покрытие материала и/или его перенос.
В целом, несмотря на нынешнее распространение лазерной сварки с отслеживанием стыков, компания Gestamp убеждена, что удаленная лазерная сварка станет технологией, которая сильно вырастет уже в краткосрочной и среднесрочной перспективе, поскольку она позволяет снизить вес транспортных средств за счет оптимизации выбор и соединение материалов. Считается, что дистанционная лазерная сварка значительно уменьшает ширину фланца крышки, позволяя изготавливать более легкие детали с теми же общими характеристиками. Кроме того, процесс сварки можно ускорить, поскольку при удаленной лазерной сварке не требуется присадочный материал.
Подход производителей лазерных источников для автомобильной отрасли
Потребности автомобильной промышленности всегда учитывались производителями лазерных источников, которые последовательно дополняют свое предложение иногда дифференцированными, но всегда чрезвычайно интересными решениями. Coherent выделяет большую часть своего ассортимента продукции для применения в автомобильном секторе для обеспечения электрической мобильности, уделяя особое внимание электрической силовой передаче, модулям управления мощностью, аккумуляторным элементам, аккумуляторным блокам и многочисленным электронным устройствам для больших токов (рис. 1). Эти применения требуют, чтобы сварные швы противостояли тепловому расширению и вибрации в течение всего срока службы автомобиля. Типичными материалами для этих применений являются алюминий и медь. Стратегия Coherent заключается в использовании источников 1 мкм, среди которых их ARM, или Adjustable Ring Mode, волоконный лазер с выходной мощностью до 10 кВт, состоящий из двух лазерных лучей 1 мкм, объединенных в один технологический кабель оптического волокна: на выходе есть представляет собой пучок высокой яркости из центра волокна, соосно окруженный пучком с кольцевым распределением мощности. Оба луча управляются независимо друг от друга и могут динамически модулироваться в течение всего процесса сварки. Например, можно предварительно нагреть материал с помощью кольцевого луча и активировать центральный пучок, когда поверхность достаточно подготовлена для максимального поглощения на длине волны 1 мкм с динамикой до 5 кГц. В этих источниках максимальное внимание было уделено оптической конфигурации лазеров, что делает их особенно устойчивыми к обратному отражению, т. е. можно выполнять сварку с лучом, перпендикулярным детали, не беспокоясь о наклоне оптики. Система ARM позволяет уменьшить разбрызгивание и пористость с превосходным контролем глубины проплавления во время сварки. Кроме того, можно сваривать разнородные материалы, такие как алюминий и медь, без перегрева материалов, со швами без зазоров, брызг и пор, сохраняя при этом наилучшие электрические и механические характеристики. На сегодняшний день компания Coherent, которая уже управляет сваркой разнородных материалов, открыта для расширения своих навыков в других приложениях, связанных с электрической мобильностью, таких как сварка титана,
TRUMPF активно работает в автомобильной отрасли, уделяя особое внимание лазерным применениям, связанным с электрической мобильностью, например силовой электронике, аккумуляторам и топливным элементам, различным модулям и контейнерам, а также многочисленным соединениям электрических проводов. В этом секторе, помимо традиционной сварки алюминия и стали, все большее значение приобретает сварка меди. Стратегия TRUMPF направлена на использование зеленых лазеров на базе дисковых лазеров TruDisk с выходной мощностью до 2 кВт (при 532 нм) и высоким качеством луча для использования со сканирующей оптикой для удаленной пайки меди со стабильной и воспроизводимой глубиной пайки.
Существует также тенденция к внедрению решений для многоточечной лазерной сварки, которые компания TRUMPF продвигает с помощью своей запатентованной технологии Bright Line Weld Technology, системы, основанной на 2 волокнах в одном, обеспечивающем выходную мощность до 16 кВт на 1 мкм (примеры применения в Фигура 2). Эта специальная конфигурация волновода позволяет одновременно использовать точки двух размеров с полностью регулируемым распределением мощности, что обеспечивает стабилизацию и уменьшение разбрызгивания в процессе сварки на всех материалах. Сварку стали можно производить с высокой скоростью (более 20-30 м/мин) и эффективностью. Особыми преимуществами сварки меди являются возможность работы на низких и высоких скоростях, что обеспечивает гладкие сварные швы.
В области лазерной сварки NUBURU играет особую роль благодаря своим голубым лазерам, особенно при сварке меди и алюминия для электромобилей и аккумуляторов, а также благодаря опыту применения в пайке и термообработке. Ограничивая себя автомобильными приложениями, идея использования такой короткой волны мотивирована высокой поглощающей способностью, особенно меди, что приводит к высококачественному сварному шву без брызг и пор без необходимости применения колеблющийся луч. Это также относится к сварке разнородных материалов, таких как сталь-медь в батареях, с постоянной и контролируемой глубиной проплавления, вызывающей низкую тепловую нагрузку за счет применения мощности синего лазера в несколько сотен ватт.
